路面不同層間接觸條件下基層及路床的力學響應有限元分析

王宗璞

(邢臺道橋建設工程有限公司 邢臺市 054001)

0 引言

目前世界范圍內瀝青路面基本由多層結構構成，主要包括面層、基層及路基等。目前的路面結構設計理論認為，各結構層均為有效粘結，但隨著瀝青路面應用的逐步深入，各結構層間粘結不良導致的問題也層出不窮，隨之各國學者也開展了各類研究，對路面不同結構層間的不完全粘結導致的問題進行了不懈探索。

1962年在第一屆瀝青路面結構設計國際會議上M.R.KRUNTCHEVA[1]等第一次提出了路面層間接觸狀態(tài)會改變路面結構的應力分布，自此，國內外學者開始了對路面各結構層接觸狀態(tài)的研究。J.UZAH等使用Bisar程序對路面層間應力應變進行了分析，研究表明，當層間界面變化時，層底徑向應變存在有壓應變變?yōu)槔瓚兊那闆r[2]；F.A.HASSAN[3]等利用Bisar程序和有限元程序分析了基層與路基粘結情況對路面使用壽命的影響，研究表明，基層和路基黏結較差會使路面的使用壽命大約減少80%。同時，國內學者[4-7]也采用Bisar程序對路面不同層間結合情況開展了相關力學性能研究，紀小平[4-5]對不同路面接觸條件下的層底拉應力、最大剪應力、土基頂面豎向壓應變進行了分析，同時對路面高溫穩(wěn)定性進行了討論，研究表明，完全光滑的層間接觸大幅提高了瀝青面層的最大剪應力，加速面層發(fā)生剪切破壞而形成車轍；唐承鐵[6]對不同層間接觸下的半剛性路面疲勞特性進行了研究，研究表明，上下基層間、面層與基層間、瀝青中下面層間的相對滑動對半剛性基層的疲勞特性影響最大；羅要飛[7]使用剪切彈性柔量接觸模型對路面面層間、基-面層間的力學性能與疲勞特性進行了研究，研究表明，層間接觸條件的惡化是導致路面加速破壞的重要原因，當上-中面層、中-下面層、基-面層層間接觸條件由連續(xù)轉變?yōu)榛瑒訒r，路面結構的疲勞壽命分別降低52.3%、71.5%、83.0%。

隨著我國《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50-2017的發(fā)布，層間結合能力對路面結構的影響逐步得到了廣泛重視，尤其對無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力及路床頂面豎向壓應變等內容進行了相應要求，而目前國內則缺乏相關指標內容。因此，建立了有限元模型，對不同層間接觸條件下的路面無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力及路床頂面豎向壓應變等進行了有限元模擬計算，進而對路面設計指標進行相應完善。

1 有限元模型的建立

采用半剛性基層路面結構形式建立模型，各結構層分別為上面層(4cm)+中面層(6cm)+下面層(10cm)+上基層(18cm)+基層(18cm)+下基層(18cm)。其中上面層為AC-13型瀝青混合料，中面層為AC-20型瀝青混合料，下面層為ATB-25型瀝青穩(wěn)定碎石。基層采用水泥穩(wěn)定碎石，上基層、基層水泥用量5%，下基層水泥用量3%。

建立5m×5m×4.74m有限元模型，采用Solid45單元模擬各結構層。層間接觸單元采用Contact170(目標單元)和Contact174(接觸單元)進行模擬，車輛荷載為標準軸載(BZZ-100)。

圖1 模型建立

以完全粘結情況為初始模型進行對比，同時分別以上、中面層、中、下面層、下面層與上基層建立接觸模型，以模擬不同結構層的粘結狀態(tài)，并以摩擦系數(shù)μ表示層間的接觸狀態(tài)。μ=0表示完全光滑狀態(tài)，μ=1表示完全接觸狀態(tài)，μ=0.5表示半接觸狀態(tài)，具體接觸編號規(guī)則如圖2，如7-6-1則表示AC-13與AC-20時摩擦系數(shù)為1時的接觸狀態(tài)。

圖2 接觸編號

2 不同接觸條件下的層間力學響應

通過分析不同接觸狀態(tài)下的層間結構模型，進而得到不同路面結構層接觸狀態(tài)下的路面無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力及路床頂面豎向壓應變的變化規(guī)律。

2.1 層間接觸狀態(tài)對無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力的影響

無機結合料穩(wěn)定基層層底拉應力對路面結構耐久性有較大影響，不同接觸條件下的無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力如表1。

表1 距離荷載中心位置不同位置下無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力(單位：kPa)

從數(shù)據(jù)中可以看到，在不同接觸條件下，無機結合料穩(wěn)定層層底均受拉。隨著不同層間粘結不良情況的發(fā)生，無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力逐步增大，當接觸發(fā)生在5-4時層底拉應力增幅最大，最大增幅達到50.46%。當接觸情況發(fā)生在同一層位時，摩擦系數(shù)的不同對層底拉應力有一定影響：當層間接觸發(fā)生在7-6時，最大拉應力由70.14kPa(7-6-1)增加到72.84kPa(7-6-0)，增長率3.85%；當層間接觸發(fā)生在6-5時，最大拉應力由82.76kPa(6-5-1)增加到84.01kPa(6-5-0)，增長率3.85%；當層間接觸發(fā)生在5-4時，摩擦系數(shù)對層底拉應力影響較大，最大拉應力由87.27kPa(6-5-1)增加到98.34kPa(6-5-0)，增長率12.68%。從數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，由于無機結合料穩(wěn)定層層底始終處于受拉狀態(tài)，不同的接觸條件均容易造成無機結合料穩(wěn)定層受拉疲勞破壞，其中以5-4接觸影響最大。

2.2 層間接觸狀態(tài)對路床頂面豎向壓應變的影響

路床頂面豎向壓應變的控制可以有效控制路面車轍問題的出現(xiàn)，同時也可以為各路面結構層永久變形提供理論依據(jù)。不同接觸條件下路床頂面豎向壓應變如表2。

表2 距離荷載中心位置不同位置下路床頂面豎向壓應變(με)

從表2可以看到，路床頂面最大壓應變發(fā)生在荷載中心位置正下方，與路面各結構層完全粘結相比，不同接觸條件下均會導致路床頂面豎向壓應變的增大。當接觸發(fā)生在7-6時，路床頂面最大壓應變發(fā)生在7-6-0為-148.95με，較層間完全粘結情況增加了12.96%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應變由-143.53με(7-6-1)增加到-148.95με(7-6-0)，增加了5.42με，增長率3.78%。當接觸發(fā)生在6-5時，路床頂面最大壓應變發(fā)生在6-5-0為-175.58με，較層間完全粘結情況增加了33.16%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應變由-171.91με(6-5-1)增加到-175.58με(6-5-0)，增加了3.67με，增長率2.13%。當接觸發(fā)生在5-4時，路床頂面最大壓應變發(fā)生在5-4-0為-212.53με，較完全粘結情況增加了61.18%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應變由-190.81με(5-4-1)增加到-212.53με(5-4-0)，增加了21.72με，增長率11.39%。

從數(shù)據(jù)分析中可以看到，不同層間粘結不良情況的發(fā)生均會導致路床頂面豎向壓應變的增加，摩擦系數(shù)變化對路床頂面豎向壓應變影響較小。當層間粘結情況不良發(fā)生在ATB-25與基層時，路床頂面豎向壓應變增幅最大。

3 結論

以國內典型路面結構為依據(jù)，使用ANSYS建立了5m×5m×4.74m路面有限元模型，同時以接觸對的形式模擬了不同路面結構層間粘結不良的情況，分析了不同接觸情況下的無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力及路床頂面豎向壓應變，具體結論如下：

(1)計算結果表明，無機結合料穩(wěn)定層層底始終處于受拉狀態(tài)，不同的接觸條件均容易造成無機結合料穩(wěn)定層受拉疲勞破壞，當粘結不良情況發(fā)生在下面層與上基層時，對無機結合料層底拉應力影響最大。

(2)路床頂面壓應變變化對基層反射裂縫及路面車轍等有較為明顯的影響，當層間粘結情況不良發(fā)生在ATB-25與基層時，路床頂面豎向壓應變增幅最大，因此在施工過程中應注意下面層與上基層的粘結控制。